JP5466757B2 - Drive device using polymer actuator element - Google Patents
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Description
本発明は、一対の電極層に電圧を印加すると湾曲変形する高分子アクチュエータ素子を有する駆動装置に関し、特に、高分子アクチュエータ素子の温度特性の改善構造に関する。 The present invention relates to a drive device having a polymer actuator element that bends and deforms when a voltage is applied to a pair of electrode layers, and more particularly to a structure for improving temperature characteristics of the polymer actuator element.
高分子アクチュエータ素子は、例えば特許文献1に示すように、電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両側に設けられた一対の電極層とを有して構成されている。そして、固定端である基端部側の一対の電極層間に電圧を付与すると、自由端である先端部が湾曲変形するように構成されている。 For example, as shown in Patent Document 1, the polymer actuator element includes an electrolyte layer and a pair of electrode layers provided on both sides in the thickness direction of the electrolyte layer. When a voltage is applied between the pair of electrode layers on the base end side that is the fixed end, the tip end that is the free end is bent and deformed.
一般に高分子アクチュエータ素子は、温度特性を有し、高分子アクチュエータ素子の変位量や発生力等は、使用環境温度により変化する。特に、低温での環境下にて、アクチュエータ特性が低下しやすい。 In general, a polymer actuator element has temperature characteristics, and the displacement amount and generated force of the polymer actuator element vary depending on the temperature of the use environment. In particular, the actuator characteristics are likely to deteriorate under a low temperature environment.
上記した素子の温度特性に関し、特許文献2に記載された発明には、低温環境下において安定した動作を得るために、撮像素子側に、高分子アクチュエータ素子を配置して、駆動時における撮像素子からの熱により高分子アクチュエータ素子を暖める構造が開示されている。 Regarding the temperature characteristics of the above-described element, in the invention described in Patent Document 2, in order to obtain a stable operation in a low temperature environment, a polymer actuator element is disposed on the image sensor side, and the image sensor at the time of driving is arranged. A structure in which the polymer actuator element is warmed by the heat from is disclosed.
しかしながら、特許文献2に示す構造では、撮像素子が高分子アクチュエータ素子から離れている。撮像素子に放熱板を取り付けて、高分子アクチュエータ素子に発熱部を近づけた構造も開示されているが接触させることはできないため、素子を効率的に暖めることが難しい。また特許文献2に示す構造では、撮像素子を必要とし、そもそも撮像素子が設けられない駆動装置には適用できない。あるいは特許文献2に示す撮像素子を有さない構造において、高分子アクチュエータ素子を暖めるために新たな発熱装置を用いればコスト高となる。また特許文献2の構造では、撮像素子の駆動時しか高分子アクチュエータ素子を暖めることができず、更には、暖める必要のない場合にも高分子アクチュエータ素子が暖められ制御性に劣る構造となっている。 However, in the structure shown in Patent Document 2, the imaging element is separated from the polymer actuator element. A structure in which a heat radiating plate is attached to the imaging element and a heat generating part is brought close to the polymer actuator element is also disclosed, but cannot be brought into contact with each other, so that it is difficult to efficiently warm the element. Further, the structure shown in Patent Document 2 cannot be applied to a drive device that requires an image sensor and is not provided with an image sensor in the first place. Or in the structure which does not have an image pick-up element shown in patent document 2, if a new heat generating apparatus is used in order to warm a polymer actuator element, it will become high-cost. Further, in the structure of Patent Document 2, the polymer actuator element can be warmed only when the image sensor is driven, and further, the polymer actuator element is warmed even when it is not necessary to be warmed, resulting in poor controllability. Yes.
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、低コストにて効率良く高分子アクチュエータ素子を暖めることができ、更に発熱に対する制御性に優れた高分子アクチュエータ素子を用いた駆動装置を提供することを目的としている。 Accordingly, the present invention solves the above-described conventional problems, and can provide a driving apparatus using a polymer actuator element that can efficiently warm a polymer actuator element at low cost and has excellent controllability to heat generation. It is intended to provide.
本発明における高分子アクチュエータ素子を有する駆動装置は、
電解質層及び前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた電極層を備え、前記電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータ素子と、
前記高分子アクチュエータ素子へ駆動電圧を印加する制御部とを有する駆動装置であって、
前記制御部は、前記駆動電圧以外に、前記高分子アクチュエータ素子へ交流電圧を印加することで前記高分子アクチュエータ素子を発熱させることが可能であり、前記制御部は、前記高分子アクチュエータ素子の状態に応じて前記交流電圧を印加することを特徴とするものである。
The drive device having the polymer actuator element according to the present invention,
A polymer actuator element comprising an electrolyte layer and electrode layers provided on both surfaces in the thickness direction of the electrolyte layer, and deformed when a voltage is applied between the electrode layers;
A drive unit having a controller for applying a drive voltage to the polymer actuator element,
In addition to the drive voltage , the control unit can generate heat by applying an AC voltage to the polymer actuator element, and the control unit is in a state of the polymer actuator element. The AC voltage is applied according to the above.
上記したように制御部では、高分子アクチュエータ素子に必要に応じて交流電圧を印加可能としており、交流電圧の印加により、電極層に電流が流れ、ジュール熱により高分子アクチュエータ素子が自己発熱によって暖められる。そして本発明では、低温時の特性を向上させたり、イオンの偏りを除去しやすくできる。また本発明では、交流電圧を印加可能な制御部を素子に接続しており、高分子アクチュエータ素子の層構造を従来から変える必要性がない。また、別に発熱装置を設ける必要もない。このため駆動装置の小型・薄型化及び低コスト化を実現できる。また素子自身の自己発熱を使用する構造であるため効率良くアクチュエータ素子を暖めることが可能であり、また素子構造を変えないため構造変化に伴う特性劣化や特性の安定性の低下といった要因もなく、したがって、本発明によれば、特に低温動作での高分子アクチュエータ素子のアクチュエータ特性を効果的に、改善することができる。 As described above, the control unit can apply an AC voltage to the polymer actuator element as necessary. When the AC voltage is applied, a current flows through the electrode layer, and the polymer actuator element is warmed by self-heating by Joule heat. It is done. And in this invention, the characteristic at the time of low temperature can be improved, or the bias | inclination of ion can be removed easily. Further, in the present invention, a controller capable of applying an alternating voltage is connected to the element, and there is no need to change the layer structure of the polymer actuator element from the conventional one. Further, there is no need to provide a separate heat generating device. For this reason, the drive device can be reduced in size, thickness, and cost. In addition, it is possible to warm the actuator element efficiently because it is a structure that uses the self-heating of the element itself, and since there is no change in the element structure, there is no factor such as characteristic deterioration due to structural change or deterioration in characteristic stability, Therefore, according to the present invention, it is possible to effectively improve the actuator characteristics of the polymer actuator element particularly at low temperature operation.
本発明では、前記制御部は、前記高分子アクチュエータ素子または前記高分子アクチュエータ素子の周囲の温度が所定の温度より低いときに前記交流電圧を印加することが好ましい。 In this invention, it is preferable that the said control part applies the said alternating voltage when the temperature around the said polymer actuator element or the said polymer actuator element is lower than predetermined | prescribed temperature.
また本発明では、前記制御部は、前記高分子アクチュエータ素子に流れる電流値が所定の値より小さいときに前記交流電圧を印加することが好ましい。低温時には駆動電流が小さくなるので、駆動電流が所定値よりも小さくなったときに交流電流を印加することで低温時の特性を効果的に改善することが出来る。 In the present invention, it is preferable that the controller applies the AC voltage when a current value flowing through the polymer actuator element is smaller than a predetermined value. Since the drive current becomes small at low temperatures, the characteristics at low temperature can be effectively improved by applying an alternating current when the drive current becomes smaller than a predetermined value.
また本発明では、前記制御部では、環境温度変化、あるいは、前記環境温度変化に基づく前記高分子アクチュエータ素子からの情報変化の少なくともいずれか1つを検出可能なモニタ部が設けられ、前記モニタ部からの検出結果に基づいて、前記交流電圧の重畳の有無が判断されることが好ましい。例えば、環境温度変化が、所定温度以下となったことをモニタ部で検出したときに、交流電圧の重畳が行われるように制御することができる。あるいは、環境温度が低温になると、高分子アクチュエータ素子に流れる駆動電流が小さくなり、素子変位量が小さくなるので、駆動電流や素子変位量が所定値以下となったことをモニタ部で検出したときに、交流電圧の重畳が行われるように制御することができる。このように本発明では、交流電圧の重畳のタイミングを木目細かく設定でき、発熱に対する制御性をより効果的に向上させることができる。 In the present invention, the control unit is provided with a monitor unit capable of detecting at least one of an environmental temperature change or an information change from the polymer actuator element based on the environmental temperature change, and the monitor unit It is preferable to determine whether or not the AC voltage is superimposed on the basis of the detection result from. For example, when the monitor unit detects that the environmental temperature change has become equal to or lower than a predetermined temperature, control can be performed so that alternating voltage is superimposed. Alternatively, when the environmental temperature is low, the drive current flowing through the polymer actuator element is reduced and the element displacement is reduced. Therefore, when the monitor unit detects that the drive current or the element displacement is below a predetermined value. In addition, it is possible to control so that alternating voltage is superimposed. As described above, in the present invention, the timing of superimposing the AC voltage can be set finely, and the controllability with respect to heat generation can be improved more effectively.
また本発明では、前記制御部では、環境温度変化、あるいは、前記環境温度変化に基づく前記高分子アクチュエータ素子からの情報変化の少なくともいずれか1つを検出可能なモニタ部が設けられ、前記モニタ部からの検出結果に基づいて、前記交流電圧の重畳波形が制御されることが好ましい。本発明における重畳波形の制御とは、交流電圧の周波数や、電圧、駆動電圧に対する対称性(シンメトリー)、波形形状(矩形波、正弦波、鋸波、三角波等)等を制御することを意味する。そして本発明では、モニタ部からの検出結果に基づいて、交流電圧の重畳波形を木目細かく設定でき、発熱に対する制御性をより効果的に向上させることができる。 In the present invention, the control unit is provided with a monitor unit capable of detecting at least one of an environmental temperature change or an information change from the polymer actuator element based on the environmental temperature change, and the monitor unit It is preferable that the superimposed waveform of the AC voltage is controlled based on the detection result from. The control of the superimposed waveform in the present invention means controlling the frequency of AC voltage, symmetry (symmetry) with respect to voltage and drive voltage, waveform shape (rectangular wave, sine wave, sawtooth wave, triangular wave, etc.), and the like. . And in this invention, based on the detection result from a monitor part, the superimposed waveform of alternating voltage can be set finely, and the controllability with respect to heat_generation | fever can be improved more effectively.
また本発明では、前記モニタ部は、前記高分子アクチュエータ素子に流れる電流を検出することが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the monitor unit detects a current flowing through the polymer actuator element.
また本発明では、前記交流電圧は、前記駆動電圧よりも小さい振幅で前記駆動電圧に重畳されて印加されることが好ましい。小さい交流電圧の重畳により、高分子アクチュエータ素子の動作に与える影響を低減できる。 In the present invention, it is preferable that the AC voltage is applied while being superimposed on the drive voltage with an amplitude smaller than the drive voltage. By superimposing a small alternating voltage, the influence on the operation of the polymer actuator element can be reduced.
また本発明では、前記交流電圧の最大電圧値と最小電圧値の絶対値が異なる構成にできる。これにより、例えば、交流電圧と駆動電圧が重畳された電圧の最大値が、駆動電圧を過大に上回ることを避けることができ、高分子アクチュエータ素子の劣化を防止できる。 In the present invention, the absolute value of the maximum voltage value and the minimum voltage value of the AC voltage can be different. Thereby, for example, it is possible to avoid that the maximum value of the voltage in which the AC voltage and the driving voltage are superimposed exceeds the driving voltage, and it is possible to prevent deterioration of the polymer actuator element.
また本発明では、前記高分子アクチュエータ素子に駆動電圧を印加しないときに、前記交流電圧を前記高分子アクチュエータに印加可能とされたものであることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the AC voltage can be applied to the polymer actuator when a drive voltage is not applied to the polymer actuator element.
これにより、高分子アクチュエータ素子の非駆動時においても高分子アクチュエータ素子を効率良く暖めることができ、その後の駆動時に、特に低温環境下であっても、高分子アクチュエータ素子をスムースに駆動させることができる。 As a result, the polymer actuator element can be efficiently warmed even when the polymer actuator element is not driven, and the polymer actuator element can be smoothly driven during the subsequent driving, particularly in a low temperature environment. it can.
本発明では、低コストにて効率良く高分子アクチュエータ素子を暖めることができる。特に低温動作での高分子アクチュエータ素子のアクチュエータ特性を効果的に、改善することができる。更に本発明によれば発熱に対する制御性を効果的に向上させることができる。 In the present invention, the polymer actuator element can be warmed efficiently at low cost. In particular, it is possible to effectively improve the actuator characteristics of the polymer actuator element at low temperature operation. Furthermore, according to the present invention, the controllability against heat generation can be effectively improved.
図1は本実施形態の駆動装置を構成する高分子アクチュエータ素子の部分断面図を示す。図1(b)では、高分子アクチュエータ素子とともに高分子アクチュエータ素子に接続される制御部を模式図的に示している。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a polymer actuator element that constitutes the drive device of this embodiment. FIG. 1B schematically shows a control unit connected to the polymer actuator element together with the polymer actuator element.
本実施形態において高分子アクチュエータ素子を有する駆動装置は、少なくとも、高分子アクチュエータ素子と、高分子アクチュエータ素子を駆動させるための制御部を備えた電気系統とを有する。まず図1を用いて高分子アクチュエータ素子の構造を説明する。 In the present embodiment, a drive device having a polymer actuator element includes at least a polymer actuator element and an electric system including a control unit for driving the polymer actuator element. First, the structure of the polymer actuator element will be described with reference to FIG.
図1(a)に示すように、本実施形態における高分子アクチュエータ素子32は、電解質層33と、電解質層33の厚さ方向(Z)の両側表面に形成される上部電極層34、及び、下部電極層35を備えて構成される。
As shown in FIG. 1A, the
例えば、本発明における実施形態の高分子アクチュエータ素子32は、イオン液体とベースポリマーを有する電解質層33と、カーボンナノチューブ等の導電性フィラー、イオン液体及びベースポリマーとを有する上部電極層34及び下部電極層35とを有して構成される。上部電極層34は電解質層33の図示上面側、下部電極層35は、電解質層33の図示下面側に形成される。
For example, the
ベースポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)や、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等を提示できる。この具体例では電解質層33内にイオン交換樹脂を含まないので、陽イオン及び陰イオンのどちらも自由に移動可能な状態となっている。
As the base polymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), polymethyl methacrylate (PMMA), or the like can be presented. In this specific example, since the ion exchange resin is not included in the
なお、電解質層33は、イオン交換樹脂と、塩を含有する分極性有機溶媒又はイオン液体である液状有機化合物とが含まれたものであってもよい。このとき、イオン交換樹脂は例えば、陽イオン交換樹脂である。これにより陰イオンが固定され、陽イオンが自由に移動可能となる。陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂等の樹脂に、スルホン酸基、カルボキシル基等の官能基が導入されたものを好ましく使用できる。
The
高分子アクチュエータ素子32の基端部36は固定端部であり、高分子アクチュエータ素子32の基端部36は、固定支持部38にて固定支持されている。図1に示すように例えば、高分子アクチュエータ素子32は、片持ちで支持されている。そして両面の電極層34,35間に駆動電圧を印加すると、図1(b)に示すように、電解質層33内のイオン移動などによって電解質層33の上下にて膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、高分子アクチュエータ素子32の自由端部である先端部37を湾曲変形させることができる。イオン移動で電極間に膨潤の差が生じる原理は一般に一義的ではないとされているが、代表的な原理要因の1つに、陽イオンと陰イオンのイオン半径の差で膨潤に差が生じることが知られている。
The
なお図1に示す固定支持部38は、電極層34,35と電気的に接続する接続部であることが好ましい。あるいは固定支持部38と各電極層34,35との間に配線基板等が配置される構成であってもよい。
In addition, it is preferable that the fixed
高分子アクチュエータ素子32の基端部36には、例えば図1(b)に示す駆動回路60を備えた制御部80が接続されている。この制御部80(駆動回路60)では高分子アクチュエータ素子32に駆動電圧を印加でき、更に発振器(OSC)を備えており、交流電圧を駆動電圧に対して重畳させることが可能になっている。
For example, a
図2(a)に、高分子アクチュエータ素子32の電極層34,35間に印加される電圧波形の一例を示し、図2(b)に、高分子アクチュエータ素子32に流れる電流波形を示す。図2(a)に示す高分子アクチュエータ素子32の非駆動状態Aでは電極層34,35間に電圧を印加せず、高分子アクチュエータ素子32の駆動状態Bでは電極層34,35間に駆動電圧Cを印加する。
2A shows an example of a voltage waveform applied between the electrode layers 34 and 35 of the
本実施形態における高分子アクチュエータ素子32は、容量負荷系アクチュエータであり、図2(b)に示す高分子アクチュエータ素子32に流れる駆動電流Dは、一般的なキャパシタと同様の振る舞いとなる。図2(a)のように駆動電圧Cを例えば矩形波により立ち上げた際に駆動電流Dは微分波形になり、図2(b)に示すように、駆動電圧Cの立ち上がり部分で大きな電流が流れて充電が始まる。その後、駆動電流Dは急激に低下し、やがて満充電により駆動電流Dは小さくなる。
The
上記したように本実施形態における各電極層34,35は、例えば、カーボンナノチューブ等の導電性フィラーを含む構成であり、電流を流すことでジュール熱により発熱させることが可能である。 As described above, each of the electrode layers 34 and 35 in the present embodiment has a configuration including a conductive filler such as a carbon nanotube, and can generate heat by Joule heat by passing an electric current.
そこで本実施形態では図2(a)に示すように、図1(b)に示した発振器を備える駆動回路60により、駆動電圧Cに対して、駆動電圧Cよりも高い周波数の交流電圧Eを重畳可能としている。交流電圧は高分子アクチュエータ素子32の状態に応じて印加される。交流電圧Eは、0Vを中心に振幅を有する電圧であるため、駆動電圧Cと重畳した波形の中心電圧Iは駆動電圧Cと一致する。駆動電圧Cとは、高分子アクチュエータ素子32を図1(b)のように湾曲変形させるための主電圧であり、駆動のために必要な電圧を指している。具体的には図2(a)に示すように、電圧の非印加時から電圧が立上った後の直線的な部分での電圧レベルを指している。なお、図示してわかりやすいよう直線部分を設けた例を示しているが、最初から交流を印加してもよい。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2A, an AC voltage E having a frequency higher than that of the drive voltage C is applied to the drive voltage C by the
本実施形態では、図2(a)に示すように、駆動電圧Cに対して交流電圧Eを重畳させることで、図2(b)に示すように、電流Fを繰り返し電極層34,35に流すことができる。よって、電極層34,35をジュール熱により発熱させることが出来る。なお、駆動電圧による電流成分が減少して交流電圧による電流成分が相対的に大きくなったときには電流Fは交流電流に近くなり、一時的にマイナス値となることもある。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2A, the AC voltage E is superimposed on the drive voltage C, whereby the current F is repeatedly applied to the electrode layers 34 and 35 as shown in FIG. It can flow. Therefore, the electrode layers 34 and 35 can be heated by Joule heat. When the current component due to the drive voltage decreases and the current component due to the AC voltage becomes relatively large, the current F becomes close to the AC current and may temporarily become a negative value.
交流電圧Eは、駆動電圧Cよりも高い周波数に設定される。この際、交流電圧Eが、駆動電圧Cへの重畳によって高分子アクチュエータ素子32自身の変位に変動がない、あるいは、使用目的等に合わせて許容される変動内となる周波数又は電圧に設定される。
The AC voltage E is set to a frequency higher than the drive voltage C. At this time, the AC voltage E is set to a frequency or voltage that does not change in the displacement of the
例えば、本実施形態の高分子アクチュエータ素子32を用いた駆動装置(図5参照)は、後述するように、高分子アクチュエータ素子32を直流駆動(DC駆動)させて、突出部材31を押圧する用途に使用できるが、かかる場合、重畳する交流電圧Eの周波数を1〜数百Hz程度(より具体的には1〜100Hz程度)に設定することが出来る。
For example, the drive device (see FIG. 5) using the
また図2(a)に示すように、駆動電圧Cに対し交流電圧Eの振幅を小さく設定することで、重畳された最大電圧値Gが駆動電圧Cに対して高くなりすぎて高分子アクチュエータ素子32が劣化することを避けることができる。周波数にもよるが、駆動電圧Cが1〜3Vに対して、交流電圧Eは数十mV〜百数十mV程度でよい。これにより、高分子アクチュエータ素子32を効率良く暖めることができるとともに、高分子アクチュエータ素子32を安定して駆動させることが出来る。
Further, as shown in FIG. 2A, by setting the amplitude of the AC voltage E to be smaller than the drive voltage C, the superimposed maximum voltage value G becomes too high with respect to the drive voltage C, and the polymer actuator element. It can be avoided that 32 deteriorates. Although depending on the frequency, the AC voltage E may be several tens of mV to several tens of mV with respect to the driving voltage C of 1 to 3V. Thereby, the
このように本実施形態では、高分子アクチュエータ素子32に必要に応じて、駆動電圧Cへの交流電圧Eの重畳により電流Fを電極層34,35に流すことができ、高分子アクチュエータ素子32を自己発熱によって暖めることができる。本実施形態では、高分子アクチュエータ素子32に接続される制御部80を構成する駆動回路60の回路構造を変更するだけで、高分子アクチュエータ素子32としての層構造・形状を従来から変える必要性がない。このため、別に発熱装置を用いるような場合に比べて、高分子アクチュエータ素子32を備えた駆動装置の小型・薄型化及び低コスト化を実現できる。また素子自身の自己発熱を使用する構造であるため効率良くアクチュエータ素子32を暖めることが可能であり、また素子構造を変えないため構造変化に伴う特性劣化や特性の安定性の低下といった要因もない。したがって、本実施形態によれば、特に低温動作での高分子アクチュエータ素子32のアクチュエータ特性を効果的に、改善することができる。
As described above, in the present embodiment, if necessary, the
図2(a)では、交流電圧Eの最大電圧値Gと、最小電圧値Hとの間の中心電圧値Iが、駆動電圧Cに略一致している。よって、図2(a)では、交流電圧Eを駆動電圧Cに対して対称波形に重畳させることができる。重畳する交流電圧Eの周波数が、電解質層33内でのイオン移動速度よりも十分に高い場合、交流電圧Eの最大電圧値を高分子アクチュエータ素子32に印加可能な上限電圧を超える電圧にて印加することが可能であり、このとき、交流電圧Eを上記のように対称波形とすることが電圧制御性に優れるとともに、高分子アクチュエータ素子32のアクチュエータ特性をばらつきが小さく特性の安定性を向上させるうえで最も効率がよい。
In FIG. 2A, the center voltage value I between the maximum voltage value G and the minimum voltage value H of the AC voltage E is substantially equal to the drive voltage C. Therefore, in FIG. 2A, the alternating voltage E can be superimposed on the symmetrical waveform with respect to the driving voltage C. When the frequency of the superimposed AC voltage E is sufficiently higher than the ion movement speed in the
あるいは図3に示すように、非対称の交流電圧を駆動電圧Cに重畳することもできる。例えば、大きな発熱量を得たいために交流電圧の振幅を大きくしすぎると最大電圧値Gが高くなりすぎて高分子アクチュエータ素子32が徐々に劣化してしまう恐れがあるが、非対称の交流電圧を印加して最大電圧値Gがそれほど高くなく、最小電圧値Hが低くなるように重畳することによって、すなわち、交流電圧Eの最大電圧値(G−C)と最小電圧値(H−C)の絶対値が異なる非対称な交流電圧を印加することによって、十分な電流を流して発熱させることが可能となる。また、このとき波形を適切に制御することによって平均の印加電圧は駆動電圧Cとすることも可能であり、変位には影響せずに電流を流すことができる。これにより、発熱効果をより効果的に向上させることができ、特に低温環境下でのアクチュエータ特性の向上を効果的に図ることが可能である。
Alternatively, an asymmetrical AC voltage can be superimposed on the driving voltage C as shown in FIG. For example, if the amplitude of the AC voltage is increased too much in order to obtain a large amount of heat generation, the maximum voltage value G may become too high and the
交流電圧Eの波形は、図2(a)に示すように三角波、正弦波等であってもよいし図3に示すように矩形波であってもよい。波形形状は特に限定されるものではないが、後述する制御部80を構成する波形制御部84にて波形形状を規制することが可能である。
The waveform of the AC voltage E may be a triangular wave, a sine wave or the like as shown in FIG. 2A, or may be a rectangular wave as shown in FIG. The waveform shape is not particularly limited, but the waveform shape can be regulated by a
図4には高分子アクチュエータ素子32に接続される接続部80の好ましい構成が示されている。図4に示すように、制御部80には、モニタ部81、判断処理部82及び駆動回路60が備えられている。判断処理部82は、モニタ部81からの検出結果に基づいて、交流電圧の重畳を行うか否かを判断する切換部83と、モニタ部81からの検出信号に基づいて、交流電圧の重畳波形を制御する波形を制御する波形制御部84とを有する。
FIG. 4 shows a preferred configuration of the connecting
図4に示すように、高分子アクチュエータ素子32は、モニタ部81及び駆動回路60に接続されている。
As shown in FIG. 4, the
本実施形態における駆動電圧Cに対する交流電圧Eの重畳は、例えば、環境温度がある所定以下の低温になったときに行う。高分子アクチュエータ素子32は、低温であると駆動電流が電極層34,35間に流れにくくなるため、高分子アクチュエータ素子32の駆動電流(ピーク電流)の変化をモニタ部81で検出する。モニタ部81での検出結果に基づいて判断処理部82の切換部83では、図2(a)に示す駆動電圧Cに対して交流電圧Eを重畳するか否かを判断する。切換部83にて交流電圧Eの重畳を行うと決定されると駆動回路60により、駆動電圧Cに対して交流電圧Eを重畳させて、高分子アクチュエータ素子32に印加する。これにより高分子アクチュエータ素子32が暖められる。あるいは、切換部83にて交流電圧Eの重畳を行わないと決定されると、駆動回路60では、交流電圧Eを重畳することなく駆動電圧Cを高分子アクチュエータ素子32に印加する。かかる場合、高分子アクチュエータ素子32は暖められない。このように本実施形態では制御部80にて、高分子アクチュエータ素子32を暖めることが必要である場合と必要でない場合とで交流電圧Eの重畳のオン/オフを切り換えることができ、高分子アクチュエータ素子32を最適な状態に保つことが可能になる。
The superimposition of the AC voltage E on the drive voltage C in the present embodiment is performed, for example, when the ambient temperature becomes a certain low temperature. When the
またモニタ部81での検出結果に基づいて、波形制御部84では、交流電圧Eの重畳波形の制御を行うか否かを判断することができる。重畳波形の制御とは、交流電圧Eの周波数や電圧、駆動電圧Cに対する対称性(シンメトリー;図2(a)、図3参照)、波形形状(矩形波、正弦波、鋸波、三角波等;図2(a)、図3参照)等を制御することを意味する。これにより、モニタ部81の検出結果に基づいて、発熱量等を調整することができ、高分子アクチュエータ素子32を最適な状態に保つことが可能になる。
Further, based on the detection result of the
また本実施形態では、モニタ部81では、高分子アクチュエータ素子32の変位量をモニタすることで、交流電圧Eの重畳のオン/オフを切り換え、重畳波形の調整を行うことも可能である。低温であると、所定の駆動電圧Cを高分子アクチュエータ素子32に印加しても変位量が所定値よりも小さくなる。よって、高分子アクチュエータ素子32の変位量をモニタ部81で検出し、その検出結果に基づいて、制御部80にて交流電圧Eの重畳のオン/オフの切り換えや重畳波形の調整を行うことが可能である。
In the present embodiment, the
また本実施形態では、モニタ部81が感熱素子(温度計)85と接続されており、モニタ部81にて外部の環境温度を検出することで、制御部80にて交流電圧Eの重畳のオン/オフの切り換えや重畳波形の調整を行うことも可能である。
In the present embodiment, the
このように本実施形態では、交流電圧Eの重畳のオン/オフの切換や、重畳波形の調整を、環境温度変化、あるいは、環境温度変化に基づく高分子アクチュエータ素子32からの情報変化(変位量や駆動電流)をモニタ部81にて検出し、その検出結果に基づいて、きめ細かく設定することが可能である。以上により、本実施形態では、発熱に対する制御性をより効果的に向上させることが可能である。
As described above, in the present embodiment, switching of on / off of the superposition of the alternating voltage E and adjustment of the superposition waveform are performed by changing the environmental temperature or changing the information from the
なお感熱素子85とモニタ部81、高分子アクチュエータ素子32とモニタ部81は両方、接続された状態であっても、どちらか一方にのみ接続された状態であってもよい。
The
本実施形態において、高分子アクチュエータ素子32を暖める主目的は、低温環境下でのアクチュエータ特性の低下を抑え、アクチュエータ特性を改善することにあるが、例えば、常温環境下においても、高分子アクチュエータ素子32を暖めることで、アクチュエータ特性を更に向上させることが可能である。環境温度変化、あるいは、環境温度変化に基づく高分子アクチュエータ素子32からの情報変化がどの程度となった場合に、駆動電圧Cに対して交流電圧Eの重畳を行い、また重畳波形をどのように調整するかは判断処理部82に対する設定により適宜、変更、調整を行うことが可能である。必ずしも環境温度が低温の場合のみならず常温等であってもアクチュエータ特性を更に向上させたい場合には、交流波形の重畳により電極層34,35を発熱させて高分子アクチュエータ素子32を暖めるように設定することが可能である。また、一方向に駆動し続けることによる高分子アクチュエータ素子32の歪を解消するために逆方向へ駆動する際も、イオンの移動をスムースにするとともにポリマーを軟化させるために温度を上げた方がよい。このような場合も、交流波形の重畳を行うこともできる。
In the present embodiment, the main purpose of warming the
また本実施形態では、図2(a)に示すように、電極層34,35間に電圧を印加していない高分子アクチュエータ素子32の非駆動状態Aにおいて、交流電圧Jを印加することも可能である。これにより、高分子アクチュエータ素子32の非駆動時においても、素子を暖めることができ、その後の駆動時に、特に低温環境下にて高分子アクチュエータ素子をスムースに駆動させることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2A, an AC voltage J can be applied in the non-driven state A of the
交流電圧Jは、交流電圧Jの印加によっても高分子アクチュエータ素子32が変位しない、あるいは、変位してもその変位量が、駆動装置における使用目的で許容される範囲内となる周波数や電圧に設定される。
The AC voltage J is set to a frequency or voltage at which the
図2(a)に示すように、駆動電圧Cに対して交流電圧Eを重畳可能に設定し、且つ、非駆動状態Aにおいても交流電圧Jを印加できるように制御部80にて設定することが可能であるし、非駆動状態Aにおいてのみ交流電圧Jを印加可能に制御することも可能である。
As shown in FIG. 2A, the AC voltage E is set so as to be superposed on the drive voltage C, and the
図5は、本実施形態における高分子アクチュエータ素子を有する駆動装置の具体例な適用例である。 FIG. 5 is a specific application example of the driving device having the polymer actuator element in the present embodiment.
図5には、ドット表示装置1の部分縦断面図が示されている。このドット表示装置1は、例えば、視覚障害者に情報を与える点字セルとして使用される。図5は、通常、6個のドットで構成される点字のうち、1つのドットの部分を示す縦断面図である。 FIG. 5 shows a partial longitudinal sectional view of the dot display device 1. The dot display device 1 is used, for example, as a braille cell that gives information to a visually impaired person. FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing a portion of one dot out of braille generally composed of six dots.
図5に示すように、ドット表示装置1は、下ケース10と上ケース20とが重ね合わされて薄型の筐体が構成される。図5に示すように下ケース10と上ケース20の間には所定の空間(変形可能領域)10b,20bが形成されている。
As shown in FIG. 5, in the dot display device 1, a
そして図5に示すように前記空間10b,20b内に高分子アクチュエータ素子32が配置される。
As shown in FIG. 5, a
高分子アクチュエータ素子32の基端部36は、上ケース20に形成された上部押圧部25と、下ケース10に設けられた下部押圧部13により挟まれて固定される。なお下部押圧部13は弾性部12と一体に接続されている。
The
また図5に示すように、基端部36と上部押圧部25の間には上部配線板50が設けられている。上部配線板50と高分子アクチュエータ素子32の上部電極層34(図1等参照)とは電気的に接続されている。また、基端部36と下部押圧部13との間には下部配線板40が設けられる。下部配線板40と高分子アクチュエータ素子32の下部電極層35(図1等参照)とは電気的に接続されている。
Further, as shown in FIG. 5, an upper wiring board 50 is provided between the
図5に示すように、上ケース20に穴21が形成され、その穴21に突出部材31が設けられている。突出部材31は、突出方向であるZ1方向に向く先端部が曲面形状の接触部31aであり、退行方向であるZ2方向に向く基端部が突出押圧力を受ける被押圧部31bである。
As shown in FIG. 5, a
図5に示す実線の高分子アクチュエータ素子32は、非駆動時を示す。このとき、例えば、高分子アクチュエータ素子32の自由端である先端部37は、突出部材31の被押圧部31bに接触した状態となっている。
The solid
図5に示すように、高分子アクチュエータ素子32の電極層34,35に電圧を印加して、高分子アクチュエータ素子32の先端部37を上方に湾曲変形させ、突出部材31を押圧しながら点線に示すように上方に移動させることができる。
As shown in FIG. 5, a voltage is applied to the electrode layers 34 and 35 of the
本実施形態によれば、高分子アクチュエータ素子32の駆動時、あるいは非駆動時、又は、駆動時と非駆動時の双方において、高分子アクチュエータ素子32の自己発熱により、高分子アクチュエータ素子32を暖めることができ、特に低温環境時のアクチュエータ特性を改善できる。本実施形態では、別に発熱装置を設けるものでなく、上記のように、高分子アクチュエータ素子32の自己発熱を利用するものであるから、ドット表示装置1の小型化・薄型化及び低コスト化に適切に対応でき、しかも、高分子アクチュエータ素子32を構成する電極層34,35自体を発熱体として用いているから、高分子アクチュエータ素子32全体を効率良く暖めることができる。
According to the present embodiment, the
また本実施形態では図4に示す制御部80がドット表示装置1に設けられ、必要なときだけ、高分子アクチュエータ素子32を自己発熱させることができ、またその発熱量も重畳波形の調整により調整することができ、よって、発熱に対する制御性に優れたドット表示装置1とすることができる。
Further, in the present embodiment, the
本実施形態の高分子アクチュエータ素子32を有する駆動装置は、点字用のドット表示装置1以外にも適用することが可能である。
The drive device having the
A 非駆動状態
B 駆動状態
C 駆動電圧
D 駆動電流
E、J 交流電圧
F 電流
1 ドット表示装置
10 下ケース
10b、20b 空間(変形可能領域)
20 上ケース
31 突出部材
31b 被押圧部
32 高分子アクチュエータ素子
33 電解質層
34、35 電極層
36 基端部
37 先端部
40、50 配線板
60 駆動回路
80 制御部
81 モニタ部
82 判断処理部
83 切換部
84 波形制御部
85 感熱素子A Non-driving state B Driving state C Driving voltage D Driving current E, J AC voltage F Current 1
20
Claims (9)
前記高分子アクチュエータ素子へ駆動電圧を印加する制御部とを有する駆動装置であって、
前記制御部は、前記駆動電圧以外に、前記高分子アクチュエータ素子へ交流電圧を印加することで前記高分子アクチュエータ素子を発熱させることが可能であり、前記制御部は、前記高分子アクチュエータ素子の状態に応じて前記交流電圧を印加することを特徴とする駆動装置。 A polymer actuator element comprising an electrolyte layer and electrode layers provided on both surfaces in the thickness direction of the electrolyte layer, and deformed when a voltage is applied between the electrode layers;
A drive unit having a controller for applying a drive voltage to the polymer actuator element,
In addition to the drive voltage , the control unit can generate heat by applying an AC voltage to the polymer actuator element, and the control unit is in a state of the polymer actuator element. And applying the AC voltage in accordance with the driving device.
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